4. Мембранные белки, связанные с углеводами.
Периферические белки – белок-белковые взаимодействия.
Пример этих белков:
1. Спектрин
2. Фибронектин,
Белки –
интегральные белки выполняют следующие функции:
а) белки ионных каналов
б) рецепторные белки
Ионные каналы
аквопорины (эритроциты, почка, глаз).
Надмембранный компонент
Функция гликокаликса: 1. Играют рольрецепторов .
2. Межклеточное узнавание .
(адгезивные взаимодействия).
4. Рецепторы гистосовместимости.
5. Зона адсорбции ферментов (пристеночное пищеварение).
6. Рецепторы гормонов .
Подмембранный компонент
Структуры, формируемые плазмолеммой
Контуры клетки, даже на светооптическом уровне, не представляются ровными и гладкими, а электронная микроскопия позволила обнаружить и описать в клетке различные структуры, которые отражают характер ее функциональной специализации. Различают следующие структуры:
1. Микроворсинки – выпячивание цитоплазмы, покрытые плазмолеммой. Цитоскелет микроворсинки сформирован пучком актиновых микрофиламент, которые вплетаются в терминальную сеть апикальной части клеток (рис. 5). Единичные микроворсинки на светооптическом уровне не видны. При наличии значительного их числа (до 2000-3000) в апикальной части клетки уже при световой микроскопии различают “ щеточную каемку”.
2. Реснички – располагаются в апикальной зоне клетки и имеют две части (рис. 6) : а) наружную - аксонему
б) внутреннюю – безальное тельце
Аксонема состоит из комплекса микротрубочек (9 + 1 пары) и связанных с ними белков. Микротрубочки образованы белком тубулином, а ручки – белком динеином – эти белки в совокупности формируют тубулин-динеиновый хемомеханический преобразователь.
Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных у основания реснички и служит матрицей при организации аксонемы.
3. Базальный лабиринт – это глубокие инвагинации базальной плазмолеммы с лежащими между ними митохондриями. Это механизм активного всасывания воды, а так же ионов против градиента концентрации.
1. Транспорт низкомолекулярных соединений осуществляется тремя способами:
1. Простая диффузия
2. Облегченная диффузия
3. Активный транспорт
Простая диффузия – низкомолекулярные гидрофобные органические соединения (жирные кислоты, мочевина) и нейтральные молекулы (Н О, СО, О). С увеличением разности концентраций между отсеками, разделенными мембраной, растет и скорость диффузии.
Облегченная диффузия – вещество идет через мембрану также по направлению градиента концентрации, но с помощью транспортного белка – транслоказы. Это интегральные белки, обладающие специфичностью в отношении переносимых веществ. Это, например, анионные каналы (эритроцит), К - каналы (плазмолемма возбужденных клеток) и Са - каналы (саркоплазматический ретикулум). Транслоказа для Н О – это аквапорин.
Механизм действия транслоказы:
1. Наличие открытого гидрофильного канала для веществ определенного размера и заряда.
2. Канал открывается только при связывании специфического лиганда.
3. Канала нет как такового, а сама молекула транслоказы, связав лиганд, поворачивается в плоскости мембраны на 180 .
Активный транспорт – это транспорт с помощью такого же транспортного белка (транслоказы), но против градиента концентрации. Это перемещение требует затрат энергии.
Транспорт через мембраны высокомолекулярных соединений
Переход частиц через плазмолемму происходит всегда в составе мембранного пузырька: 1. Эндоцитоз : а. пиноцитоз, б. фагоцитоз, в. эндоцитоз, опосредованный рецепторами.
2. Экзоцитоз: а. секреция, б. экскреция, в. рекреция – это перенос твердых веществ через клетку, здесь сочетается фагоцитоз и экскреция.
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз
1. Накопление лиганд-связывающих рецепторов в специфическом участке плазмалеммы – окаймленные ямки (один лиганд, один рецептор).
2. Поверхность ямки с цитозольной стороны покрыта аморфным плотным веществом –клатрином (этим путем попадают транспортные белки ЛНП, и белки, транспортирующие железо – трансферрин.
3. Образование окаймленного пузырька.
4. Слияние окаймленного пузырька с кислой эндосомой.
рис. Н эндосома
5. Судьба рецептора и лиганда определяется типом эндоцитоза.
а). Рецептор возвращается, лиганд разрушается.
рис. лизосома
б) Рецептор возвращается, лиганд возвращается.
рис. лизосома
в) Рецептор разрушается, лиганд разрушается.
рис. лизосома
г) Рецептор транспортируется, лиганд транспортируется.
рис. лизосома
Патология - Гиперхолестероломия
1. Повышение уровня ЛНП.
2. ЛНП не поглощаются клетками.
3. Уровень ЛНП в плазме.
4. Образуются атеросклеротические бляшки коронарных сосудов.
ЛЕКЦИЯ
ТЕМА “ ОРГАНЕЛЛЫ ОБЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ “
Органеллы – это функциональные системы (аппараты) клетки. Выделяют следующие системы: 1 Синтетический аппарат
2. Энергетический аппарат
3. Аппарат внутриклеточного переваривания (эндосомальный – лизосомальный)
4. Цитоскелет
Гиалоплазма – это коллоидная система, которая составляет 55 % общего обьема клетки, в ней взвешены органеллы и включения, она содержит белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, ионы. Здесь происходит межуточный обмен.
Различают несколько видов эндоплазматической сети : 1. Шероховатая (гранулярная эндоплазматическая сеть) - ГЭС
2. Гладкая (агранулярная эндоплазматическая сеть) - АЭС
3. Промежуточная (система транспорта)
Гранулярная эндоплазматическая сеть – это система уплощенных цистерн, вакуолей и каналов, ограниченных мембранами, на поверхности которых располагаются рибосомы.
Рибосомы состоят из РНК и гистонов (1: 1), связаны с мембранами белком рибофорином. Значение: 1. Обьединяют в пространстве компоненты белка
2. Обеспечивают взаимное узнавание комплекса - рибосомальная РНК - тРНК
3. Предоставляют ферменты, катализирующие образование пептидных связей
Эндоплазматическая сеть – синтез белков, липидов и углеводов – посттрансляционные изменения.
Функции ГЭС : 1. Синтез мембранных белков
2. Синтез белков на экспорт
3. Начальные этапы гликозилирования
4. Посттрансляционные изменения
В процессе синтеза белка происходят изменения, обозначаемых следующими терминами:1. Инициация – это связывание м-РНК с рибосомами
2. Элонгация – удлинение пептидной цепи
3. Фолдинг – сворачивание пептидной цепи в правильную трехмерную структуру.
Светооптический аналог ГЭС – это феномен базофилии цитоплазмы, которая может проявляться в двух видах: а) диффузная окраска цитоплазмы,
б) наличие в клетке базофильно окрашенных глыбок и гранул.
При этом базофилия – это результат наличия на мембранах ГЭС рибосом, в состав которых входят остатки фосфорной кислоты (компонент триплета), который и инициирует отрицательный заряд, связывающий основный краситель (феномен базофилии).
Синтез белка : 1. Начинается синтезом на полисомах.
2. В результате взаимодействия и-РНК и рибосомы образуется сигнальный пептид (20-25 аминокислот).
3. Связывание сигнального пептида с рибонуклеопротеидным комплексом (СРЧ – сигнал-распознающая частица).
4. Это связывание прекращает синтез белка.
5. Связывание СРЧ со специфическим рецептором на мембране ЭПС (это так называемый причальный белок).
6. После связывания с рецептором мембраны СРЧ отделяется от полисом.
7. Происходит разблокирование синтеза белковой молекулы.
8. Интегральные белки-рецепторы – рибофорины- обеспечивают присоединение большой субьединицы рибосом.
9. В просвете ГЭПС сигнальный пептид отщепляется ферментом сигнальной пептидазой.
10. Внутри цистерны пептид подвергается посттрансляционной модификации:
гидроксилированию, фосфорилированию, сульфатированию и т.д.
Функции комплекса Гольджи
1. Синтез полисахаридов и гликопротеинов (гликокаликс, слизь).
2. Процессинг молекул:
а) терминальное гликозилирование
б) фосфорилирование
в) сульфатирование
г) протеолитическое расщепление (части белковых молекул)
3. Конденсация секреторного продукта.
4. Упаковка секреторного продукта
5. Сортировка белков в зоне сети транс- Гольджи (за счет специфических рецепторных мембранных белков, которые распознают сигнальные участки на макромолекулах и направляют их в соответствующие пузырьки). Транспорт из комплекса Гольджи идет в виде 3-х потоков:
1. Гидролазные пузырьки (или первичные лизосомы)
2. В плазмолемму (в составе окаймленных пузырьков)
3. В секреторные гранулы
Эндосомы - мембранные пузырьки с закисляющимся содержимым и обеспечивающие перенос молекул в клетку. Тип переноса веществ системой эндосом различный:
1. С перевариванием макромолекул (полным)
2. С частичным их расщеплением
3. Без изменения по ходу транспорта
Процесс транспорта и последующего расшепления веществ в клетке с помощью эндосом состоит из следующих последовательных компонентов:
1. Ранняя (периферическая) эндосома
2. Поздняя (перинуклеарная) эндосома прелизосомальный этап переваривания
3. Лизосома
Ранняя эндосома – лишенный клатрина пузырек на периферии клетки. рН среды 6,0, здесь происходит ограниченный и регулируемый процесс расщепления (лиганд отделяется от рецептора) --- возвращение рецепторов в мембрану клетки. Ранняя эндосома еще известна как Curl.
Поздняя (перинуклеарная) эндосома: а) более кислое содержимое рН 5,5
б) диаметр больший до 800 нм
в) более глубокий уровень переваривания
Это переваривание лиганд (периферическая эндосома + перинуклеарная эндосома) --- мультивезикулярное тельце.
Лизосомы
1. Фаголизосома – она формируется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с фагосомой. Процесс разрушения этого материала называется гетерофагией.
2.Аутофаголизосома – она формируется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с аутофагосомой.
3. Мультивезикулярное тельце – крупная вакуоль (800 нм) , состоящая из мелких 40-80 нм пузырьков, окруженных умеренно плотным матриксом. Оно образуется в результате слияния ранней и поздней эндосом.
4. Остаточные тельца - это непереваренный материал. Самым известным компонентом этого типа являются липофусциновые гранулы – пузырьки диам. 0,3 – 3 мкм, содержащие пигмент липофусцин.
Цитоскелет – это система микротрубочек, микрофиламентов (промежуточных, микротрабекул). Все они формируют трехмерную сеть, взаимодействуя с сетями из других компонентов.
1. Микротрубочки – полые цилиндры диам. 24-25 нм, стенка толщиной 5 нм, диам. просвета – 14-15 нм. Стенка состоит из спирально уложенных нитей (они называются протофиламенты) толщиной 5 нм. Эти нити образованы димерами и тубулина. Это лабильная система, у которой один конец (обозначаемый “__”) закреплен, а другой (“ + “) свободен и участвует в процессе деполимеризации.
Микротрубочки ассоциированы с рядом белков, имеющих общее название МАР – они связывают микротрубочки с другими элементами цитоскелета и органеллами. Кинезин –(шаг его перемещения по поверхности микротрубочки составляет 8 нм).
Органелла
рис. Микротрубочка
Микрофиламенты – это две переплетенные нити F-актина, составленные из g- актина. Диаметр их составляет 6 нм. Микрофиламенты полярны, присоединение g -актина происходит на (“+”) конце. Они образуют скопления
по периферии клетки и связаны с плазмолеммой посредством промежуточных белков (-актин, винкулин, талин).
Функция: 1. Изменение цитозоля (переход золя в гель и обратно).
2. Эндоцитоз и экзоцитоз.
3. Подвижность немышечных клеток.
4. Стабилизация локальных выпячиваний плазматической мембраны.
Промежуточные нити имеют d 8-11 нм, состоят из белков, характерных для определенных клеточных типов. Они формируют внутриклеточный каркас, обеспечивающий упругость клетки и упорядоченное расположение компонентов цитоплазмы. Промежуточные филаменты образованы нитевидными белковыми молекулами, сплетенными друг с другом наподобие каната.
Функции : 1. Структурная
2. Участие в образовании рогового вещества
3. Поддержание формы, отростков нервных клеток
4. Прикрепление миофибрилл к плазмолемме.
Микротрабекулы – ажурная сеть тонких нитей, существующая в комплексе с микротрубочками и может участвовать в транспорте органелл и влиять на вязкость цитозоля.
ЛЕКЦИЯ
ТЕМА:” ЯДРО. СТРУКТУРА ИНТЕРФАЗНОГО ЯДРА. ОСНОВЫ БИОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КЛЕТКИ”
Ядро является основной частью клетки, кодирующей информацию о структуре и функции органа. Эта информация заложена в генетическом материале, ДНК, представляющей собой в комплексе с основными белками (гистонами) ДНП. За некоторым исключением (митохондрии) ДНК локализуется исключительно в ядре. ДНК способна реплицироваться сама, обеспечивая тем самым передачу генетического кода дочерним клеткам в условиях клеточного деления.
Ядро играет центральную роль в синтезе белка и полипептидов, являясь носителем генетической информации. Все ядра клеток организма содержат те же самые гены, одни клетки различны по своей структуре, функции и характеру продуцируемых клеткой веществ. Ядерный контроль осуществляется путем
репрессии или депрессии (экспрессии) активности различных генов. Трансляция о характере синтеза белка связана с образованием м-РНК. Многие РНК – это комплекс белка и РНК, т.е. РНП. Интерфазное ядро в большинстве клеток – это образование округлой или овальной формы в несколько мм в диаметре. В лейкоцитах и клетках соединительной ткани ядро дольчатое и обозначается термином полиморфное.
Интерфазное ядро имеет несколько различных структур: ядерную оболочку, хроматин, кариолимфу и ядрышко.
Ядерная оболочка
1. Наружная ядерная мембрана – на поверхности расположены рибосомы, где синтезируются белки, поступающие в перинуклеарные цистерны. Со стороны цитоплазмы она окружена рыхлой сетью промежуточных (виментиновых) филаментов.
2. Перинуклеарные цистерны – часть околоядерных цистерн связана с гранулярной эндоплазматической сетью (20-50 нм).
3. Внутренняя ядерная мембрана – отделена от содержимого ядра ядерной пластинкой.
4. Ядерная пластинка толщиной 80-300 нм, участвует в организации ядерной оболочки и перинуклеарного хроматина, содержит белки промежуточных филаментов – ламины А, В и С.
5. Ядерная пора – от 3-4 тысяч специализированных коммуникаций, осуществляют транспорт между ядром и цитоплазмой. Ядерная пора d 80 нм, имеет: а) канал поры – 9 нм
б) комплекс ядерной поры, последний содержит белок-рецептор, реагирующий на сигналы ядерного импорта (входной билет в ядро).Диаметр ядерной поры может увеличивать диаметр канала поры и обеспечивать перенос в ядро больших макромолекул (ДНК-РНК – полимераза).
Ядерная пора состоит из 2-х параллельных колец по одному с каждой поверхности кариолеммы. Кольцо диаметром 80 нм, образованы они 8 белковыми гранулами, от каждой гранулы к центру тянется нить (5 нм), которая формирует перегородку (диафрагму). В центре расположена центральная гранула. Совокупность этих структур называется комплекс ядерной поры. Здесь формируется канал диаметром 9 нм, такой канал называют водным, поскольку по нему движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы.
Функции ядерной поры: 1. Избирательный транспорт;
2. Активный перенос в ядро белков с последовательностью, характерной для белков ядерной локализации;
3. Перенос в цитоплазму субьединиц рибосом с изменением конформации порового комплекса.
Внутренняя ядерная мембрана - гладкая и связана с помощью интегральных белков с ядерной пластинкой, которая представляет собой слой, толщиной 80-300 нм. Эта пластинка или ламина – состоит из переплетенных промежуточных филаментов (10 нм), формирующих кариоскелет. Функции ее:
1. Сохранение структурной организации поровых комплексов;
2. Поддержание формы ядра;
3. Упорядоченная укладка хроматина.
Она формируется в результате спонтанной ассоциации 3-х главных полипептидов. Это структурный каркас ядерной оболочки с участками специфического связывания хроматина.
Хроматин
Насветовом микроскопе состоит из нерегулярно упакованной массы невысокой плотности, различается степенью плотности, количеством и размерами в клетках различного типа. Глыбки хроматина обозначают термином кариосомы, т.е. они обладают сродством к основным красителям. Хроматин интерфазного ядра – это ДНП хромосом. Хромосомы в интерфазном ядре очень тонкие, длинные, напоминающие собой нити в клубке.
Было время когда считали, что эта масса состоит из одной индивидуальной хромосомы, которую называли спирелла.
Плотный хроматин обозначается термином гетерохроматин в противовес не свернутому эухроматину. На светооптическом уровне видны элементы хромосом лишь при условии, что они образуют агрегаты, размером 0,2 мкм (гетерохроматин). Масса гетерохроматина является показателем клеточной активности клетки, содержащие большие блоки гетерохроматина характеризуются неактивной фазой в синтезе белка и, следовательно, в продукции м-РНК.
Ядрышко
Это плотная гранула диаметром 1-3 мкм, интенсивно окрашивающаяся основными красителями. Главным компонентом ядрышка является специализированный участок хромосом (петли), или организатор ядрышка. Такие участки имеются в пяти хромосомах: 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й; именно здесь располагаются многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК.
При ЭМ в ядрышке описывают 3 компонента :
1. Фибриллярный компонент - множество тонких (5-8 нм) нитей, с преимущественной локализацией во внутренней части ядрышка. Это первичные транскрипты р-РНК.
2. Гранулярный компонент – это скопление плотных частиц диаметром 10-20 нм, они соответствуют наиболее зрелым предшественникам субьединиц рибосом.
3. Аморфный компонент – это зона расположения ядрышковых организаторов, очень бледно окрашенная зона. Здесь крупные петли ДНК, участвующие в транскрипции рибосомальной РНК, а так же белки, специфически связывающиеся с РНК. Гранулы и фибриллы формируют ядрышковую нить (нуклеолонему) , толщиной 60-80 нм. Поскольку ядрышко окружено хроматином, то он получает название перинуклеарный хроматин , а его часть, проникающая внутрь ядрышка – этоинтрануклеолярный хроматин.
Клеточный конвейер – это сборка секреторного продукта на живой конвейерной ленте при участии различных клеточных органелл. При этом процесс сборки слагается из ряда этапов, происходящих в определенной последовательности на участках клетки, достаточно далеко удаленных от места непосредственного действия нуклеиновых кислот, осуществляющих генетический контроль.
Клеточный конвейер при синтезе белка предусматривает обычную последовательность процессов, изложенную в разделе описания гранулярной эндоплазматической сети. Здесь уместно представить механизм синтеза небелковых веществ.
Мембранные белки, связанные с липидами.
4. Мембранные белки, связанные с углеводами.
Периферические белки – не погружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. Они удерживаются за счет ионных взаимодействий. Периферические белки ассоциированы с интегральными белками в мембране за счет взаимодействия - белок-белковые взаимодействия.
Пример этих белков:
1. Спектрин , который расположен на внутренней поверхности клетки
2. Фибронектин, локализован на наружной поверхности мембраны
Белки – обычно составляют до 50% массы мембраны. При этом
интегральные белки выполняют следующие функции:
а) белки ионных каналов
б) рецепторные белки
2. Периферические мембранные белки (фибриллярные, глобулярные) выполняют функции:
а) наружные (рецепторные и адгезионные белки)
б) внутренние – белки цитоскелета (спектрин, анкирин), белки системы вторых посредников.
Ионные каналы – это сформированные интегральными белками каналы, они формируют небольшую пору, через которую по электрохимическому градиенту проходят ионы. Наиболее известные каналы – это каналы для Nа, К, Са 2 , Сl.
Существуют и водные каналы – это аквопорины (эритроциты, почка, глаз).
Надмембранный компонент – гликокаликс, толщина 50 нм. Это углеводные участки гликопротеинов и гликолипидов, обеспечивающие отрицательный заряд. Под ЭМ – это рыхлый слой умеренной плотности, покрывающий наружную поверхность плазмолеммы. В состав гликокаликса помимо углеводных компонентов входят периферические мембранные белки (полуинтегральные). Функциональные участки их находятся в надмембранной зоне- это иммуноглобулины (рис. 4) .
Функция гликокаликса: 1. Играют рольрецепторов .
2. Межклеточное узнавание .
3. Межклеточные взаимодействия (адгезивные взаимодействия).
4. Рецепторы гистосовместимости.
5. Зона адсорбции ферментов (пристеночное пищеварение).
6. Рецепторы гормонов .
Подмембранный компонент или самая наружная зона цитоплазмы, обычно обладает относительной жесткостью и эта зона особенно богата филаментами (d 5-10 нм). Предполагают, что интегральные белки, входящие в состав клеточной мембраны, прямо или косвенно связаны с актиновыми филаментами, лежащими в подмембранной зоне. При этом экспериментально доказано, что при агрегации интегральных белков, находящийся в этой зоне актин и миозин также агрегируют, что указывает на участие актиновых филамент в регуцляции формы клетки.
Представляют собой тельца, ограниченные билипидной мембраной и содержащие электронноплотный матрикс, состоящий из набора
гидролитических белков-ферментов (более тридцати видов гидролаз), способных расщеплять любые полимерные соединения (белки, жиры, углеводы), их комплексы на мономерные фрагменты.
Функция лизосом - обеспечение внутриклеточного пищеварения, т. е. расщепление как экзогенных, так и эндогенных биополимерных веществ.
Классификация лизосом:
1) первичные лизосомы - электронно-плотные тельца;
2) вторичные лизосомы - фаголизосомы, в том числе аутофаголизосомы;
3) третичные лизосомы или остаточные тельца.
Истинными лизосомами называют мелкие электронноплотные тельца, образующиеся в пластинчатом комплексе. Пищеварительная функция лизосом начинается только после слияния с фагосомой (фагоцитируемое вещество, окруженное билипидной мембраной) и образования фаголизосомы, в которой смешиваются фагоцитируемый материал и лизосомальные ферменты. После этого начинается расщепление биополимерных соединений фагоцитированного материала на мономеры - аминокислоты, сахара. Эти молекулы свободно проникают через мембрану фаголизосомы в гиалоплазму и затем утилизируются клеткой - идут на образование энергии или построение новых внутриклеточных макромолекулярных соединений. Некоторые соединения не могут быть расщеплены ферментами лизосомы и поэтому выводятся из клетки в неизмененном виде при помощи экзоцитоза (процесс обратный фагоцитозу). Вещества липидной природы практически не расщепляются ферментами, а накапливаются и уплотняются в фаголизосоме. Данные образования были названы третичными лизосомами (или остаточными тельцами).
В процессе фагоцитоза и экзоцитоза осуществляется рециркуляция мембран в клетке: при фагоцитозе часть плазмолеммы отшнуровывается и образует оболочку фагосомы, при экзоцитозе эта оболочка вновь встраивается в плазмолемму. Поврежденные, измененные или устаревшие собственные органеллы клетки утилизируются ею по механизму внутриклеточного фагоцитоза с помощью лизосом. Вначале эти органеллы окружаются билипидной мембраной, и образуется вакуоль - аутофагосома. Затем с ней сливается одна или несколько лизосом, и образуется аутофаголизосома, в которой осуществляеся гидролитическое расщепление биополимерных веществ, как и в фаголизосоме.
Пероксисомы
Пероксисомы - микротельца цитоплазмы (0,1-1,5 мкм), сходные по строению с лизосомами, однако отличаются от них тем, что в их матриксе содержатся кристаллоподобные структуры, а среди белков-ферментов содержится каталаза, разрушающая перекись водорода , образующуюся при окислении аминокислот.
СИСТЕМА ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ЦИСТЕРН, РАЗНОВИДНОСТИ. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР СИНТЕЗА БЕЛКОВ, ЖИРОВ И УГЛЕВОДОВ: КОМПОНЕНТЫ, ЗНАЧЕНИЕ.
Система внутриклеточных цистерн, в которых накапливаются вещества, синтезированные клеткой, носит название комплекса (аппарата) Гольджи. Комплекс Гольджи представляет собой скопление цистерн, собранными в небольшой зоне. Отдельная зона скопления этих цистерн называется диктиосомой. Цистерны располагаются в виде стопки. Между стопками располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. В центре мембраны цистерн сближены, а на периферии могут иметь расширения (ампулы). Кроме плотно расположенных плоских цистерн в зоне аппарата Гольджи наблюдается множество вакуолей. Мелкие вакуоли отшнуровываются от расширений на краях плоских цистерн. Принято различать в зоне диктиосомы проксимальный, или формирующийся цис-участок и дистальный, или зрелый, транс-участок. В секретирующих клетках аппарат Гольджи обычно поляризован: с одной стороны мембранные мешочки непрерывно образуются, а с другой – отшнуровываются в виде пузырьков. Цистерны аппарата Гольджи связаны с канальцами ЭПР.
Внутриклеточный конвейер :
рибосома- эндоплазматическая сеть - комплекс Гольджи
ЯДРО КЛЕТКИ: МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ, УЛЬТРАМИКРОСКОПИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ИНТЕРНФАЗНОГО ЯДРА.
Ядро является важнейшим компонентом клетки, содержащим ее генетический аппарат.
Функции ядра:
1 хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах);
2 реализацию генетической информации, контролирующей осуществление разнообразных процессов в клетке - от синтетических до запрограммированной гибели (апоптоза);
3 воспроизведение и передачу генетической информации (при делении клетки).
Обычно в клетке имеется только одно ядро, однако встречаются многоядерные клетки, которые образуются вследствие деления клеток, не сопровождающегося цитотомией, или слияния нескольких одноядерных клеток (последние правильнее называть симпластами).
Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром; нередко на поверхности ядра имеются вдавле-ния. Чаще всего форма ядра в целом соответствует форме клетки: оно обычно сферическое в клетках округлой или кубической формы, вытянутое или эллипсоидное в призматических клетках, уплощенное -в плоских.
Расположение ядра варьирует в разных клетках; оно может лежать в центре клетки (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой формы), у ее базального полюса (в клетках призматической формы) или на периферии (например, в жировых клетках).
Величина ядра относительно постоянна для каждого типа клеток, однако она может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при усилении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении.
Компоненты ядра. В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются кариолемма (ядерная оболочка), хроматин, ядрышко и кариоплазма (ядерный сок). Как будет видно из дальнейшего изложения ,
хроматин и ядрышко представляют собой не самостоятельные компоненты ядра, а являются морфологическим отражением хромосом, присутствующих в интерфазном ядре, но не выявляемых в качестве отдельных образований.
Ядерная оболочка
Ядерная оболочка (кариолемма) на светооптическом уровне практически не определяется; под электронным микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран - наружной и внутренней, - разделенных полостью шириной 15-40 им (перинуклеарным пространством) и смыкающихся в области ядерных пор.
Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС - на ее поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарное пространство соответствует полости цистерн грЭПС и может содержать синтезированный материал. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана окружена рыхлой сетью промежуточных (виментиновых) филаментов .
Внутренняя мембрана - гладкая, ее интегральные белки связаны с ядерной пластинкой - ламиной - слоем толщиной 80-300 нм, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов), образующих кариоскелет. Ламина играет очень важную роль в: (1) поддержании формы ядра; (2) упорядоченной укладке хроматина; (3) структурной организации паровых комплексов; (4) формировании кариолеммы при делении клеток.
Ядерные поры занимают 3-35% поверхности ядерной оболочки. Они более многочисленны в ядрах интенсивно функционирующих клеток и отсутствуют в ядрах спермиев. Поры (см. рис. 3-19) содержат два параллельных кольца (по одному с каждой поверхности кариолеммы) диаметром 80 нм, которые образованы 8 белковыми гранулами. От этих гранул к центру сходятся фибриллы, формируйте перегородку (диафрагму) толщиной около 5 нм, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям, это - транспортируемая через пору субъединица рибосомы). Совокупность структур, связанных с ядерной порой, называется комплексом ядерной поры. Последний образует водный канал диаметром 9 нм, по которому движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы. Гранулы поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации.
Ядерная оболочка в клетках животных и человека содержит до 2000-4000 поровых комплексов. В ядро из цитоплазмы через них поступают синтезированные белки, в обратном направлении переносятся молекулы РНК и субъединицы рибосом.
Функции комплекса ядерной поры:
1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.
2. Активный перенос в ядро белков, имеющих особую маркировку в виде так называемой последовательности ядерной локализации -Nuclear Localization Sequence (NLS), распознаваемой рецепторами NLS (в комплексе поры).
3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом, которые, однако, слишком велики для свободного прохождения пор; их транспорт, вероятно, сопровождается изменением конформации перового комплекса.
Хроматин
Хроматин (от греч. chroma - краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается основными красителями. Хроматин состоит из комплекса ДНК и белка и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина - эухроматин и гетерохроматин.
Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.
Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скрученным сегментам хромосом (что делает их недоступными для транскрипции). Он интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул.
Таким образом, по морфологическим признакам ядра (соотношению содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции , а, следовательно, синтетической функции клетки. При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении - нарастает содержание гетерохроматина. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибнущих клетках, при ороговении эпителиальных клеток эпидермиса - кератиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основными красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется кариопикнозом (от греч. karyon - ядро и pyknosis - уплотнение).
Распределение гетерохроматина (топография его частиц в ядре) и соотношение содержания эу- и гетерохроматина характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию
как визуально, так и с помощью автоматических анализаторов изображения. Вместе с тем, имеются определенные общие закономерности распределения гетерохроматина в ядре: его скопления располагаются под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (перинуклеолярный гетерохроматин), более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру.
Тельце Барра - скопление гетерохроматина, соответствующее одной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра ("барабанной палочки"). Выявление тельца Барра (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как диагностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).
Упаковка хроматина в ядре. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей каждую хромосому, равна в среднем, около 5 см, а общая длина молекул ДНК всех хромосом в ядре (диаметром около 10 мкм) составляет более 2 м (что сравнимо с укладкой нити длиной 20 км в теннисный мячик диаметром около 10 см), а в S-период интерфазы - более 4 м. Конкретные механизмы, препятствующие спутыванию этих нитей во время транскрипции и репликации, остаются нераскрытыми, однако очевидна необходимость компактной упаковки молекул ДНК, В клеточном ядре это осуществляется благодаря их связи со специальными основными (гистоновыми) белками. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:
(1) упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра;
(2) функциональный контроль активности генов (вследствие влияния характера упаковки на активность отдельных участков генома.
Уровни упаковки хроматина
(рис. 3-20). Начальный уровень упаковки хроматина, обеспечивающий образование нуклеосомной нити
диаметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 2 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы).
Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием хроматиновой фибриллы
диаметром 30 нм. В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образуют петли (петельные домены)
диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в результате еще более компактной укладки, формируют участки конденсированных хромосом, которые выявляются лишь при делении клеток.
В хроматине ДНК связана помимо гистонов также и с
негистоновыми белками,
которые
регулируют активность генов.
Вместе с тем, и гистоны, ограничивая доступность ДНК для других ДНК-связывзающих белков, могут участвовать в регуляции активности генов.
Функция хранения генетической информации в ядре в неизмененном виде имеет исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Подсчитано, что при репликации ДНК и в результате ее повреждений внешними факторами в каждой клетке человека ежегодно происходят изменения 6 нуклеотидов. Возникшие повреждения молекул ДНК могут исправляться в результате процесса репарации или путем замещения после распознавания и маркировки соответствующего участка.
В случае невозможности репарации ДНК при слишком значительных повреждениях включается механизм запрограммированной гибели клетки (см. ниже). В этой ситуации "поведение" клетки можно оценить как своего рода "альтруистическое самоубийство": ценой своей гибели она спасает организм от возможных негативных последствий репликации и амплификации поврежденного генетического материала.
Способность к репарации ДНК у взрослого человека снижается примерно на 1% с каждым годом. Это снижение может отчасти объяснить, почему старение является фактором риска развития злокачественных заболеваний. Нарушения процессов репарации ДНК характерно для ряда наследственных болезней, при которых резко повышены как чувствительность к повреждающим факторам, так и частота развития злокачественных новообразований.
Функция реализации генетической информации в интерфазном ядре осуществляется непрерывно благодаря процессам транскрипции. Геном млекопитающих содержит около ЗхЮ 9 нуклеотидов, однако не более 1% его объема кодирует важные белки и принимает участие в регуляции их синтеза. Функции основной некодирующей части генома неизвестны.
При транскрипции ДНК образуется очень крупная молекула РНК (первичный транскрипт), которая связывается с ядерными белками с образованием рибонуклеопротеинов (РНП). В первичном РНК-транскрипте (как и в матричной ДНК) имеются дискретные значащие последовательности нуклеотидов (экзоны), разделенные длинными некодирующими вставками (нитронами). Процессинг РНК-транскрипта включает отщепление нитронов и стыковку экзонов - сплайсинг (от англ, splicing - сращивание). При этом очень крупная молекула РНК превращается в достаточно мелкие молекулы иРНК, отделяющиеся от связанных с ними белков при переносе в цитоплазму.Лизосомы: строение, значение. Аппарат внутриклеточного переваривания.
Лизосомы (ранее называемые вторичными лизосомами) - органеллы, активно участвующие в завершающих этапах процесса внутриклеточного переваривания захваченных клеткой макромолекул посредством широкого спектра литических ферментов при низких значениях рН (5.0 и ниже). Они формируются с участием поздних эндосом. Диаметр лизосом обычно составляет 0.5-2 мкм, а их форма и структура могут существенно варьировать в зависимости от характера перевариваемого материала. Как и в случае гидролазных пузырьков, они достоверно идентифицируются только на основании выявления в них гидролитических ферментов. Название отдельных видов лизосом основано на наличии в их просвете морфологически распознаваемого материала;
в его отсутствие используется общий термин лизосома. После переваривания содержимого лизосомы образующиеся низкомолекулярные вещества диффундируют через ее мембрану в гиалоплазму.
1) Фаголизосома формируется путем слияния поздней эндосомы или лизосомы с фагосомой, называемой также гетерофагосомой (от греч. heteros - другой, phagein - поедать и soma - тело) - мембранного пузырька, содержащего материал, захваченный клеткой извне и подлежащий внутриклеточному перевариванию; процесс разрушения этого материала называется гетерофагией;
2) Аутофаголизосома образуется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с аутофагосомой (от греч. autos - сам, phagein - поедать и soma - тело) - мембранным пузырьком, содержащим собственные компоненты клетки, подлежащие разрушению. Процесс переваривания этого материала называют аутофагией, Источником мембраны, окружающей клеточные компоненты, служит грЭПС.
3) Мультивезикулярное тельце (от лат. multi - много и vesicula -пузырек) представляет собой крупную (диаметром 200-800 нм) сферическую окруженную мембраной вакуоль, содержащую мелкие (40-80 нм) пузырьки, погруженные с светлый или умеренно плотный матрикс. Оно образуются в результате слияния ранних эндосом с поздней, причем мелкие пузырьки формируются, вероятно, путем отпочковывания внутрь от мембраны вакуоли. Матрикс тельца содержит литические ферменты и, очевидно, обеспечивает постепенное разрушение внутренних пузырьков.
4) Остаточные тельца - лизосомы, содержащие непереваренный материал, которые могут длительно находиться в цитоплазме или выделять свое содержимое за пределы клетки. Распространенным типом остаточных телец в организме человека являются липофусциновые гранулы - мембранные пузырьки диаметром 0.3-3 мкм, содержащие трудно-растворимьш коричневый эндогенный пигмент липофусцин. Под электронным микроскопом липофусциновые гранулы представляют собой структуры вариабельной формы, содержащие липидные капли, плотные гранулы и пластинки. В связи с их накоплением в некоторых клетках (нейронах, кардиомиоцитах) при старении, липофусцин рассматривают как "пигмент старения" или "изнашивания".
Секреция лизосомальных ферментов за пределы клетки осуществляется у остеокластов - клеток, разрушающих костную ткань, а также фагоцитов (нейтрофилов и макрофагов) при внеклеточном переваривании различных объектов. Избыточная секреция этих ферментов может приводить к повреждениям окружающих тканей.
Роль гетерофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Гетерофагия играет очень важную роль в функции клеток всех тканей и органов. Дефицит тех или иных лизо-сомальных ферментов (обычно обусловленный наследственными аномалиями) может приводить к развитию ряда заболеваний, вызванных накоплением в клетках непереваренных веществ (чаще всего гликогена, гликолипидов, гликозаминогликанов), которые нарушают их функцию (болезни накопления). При наиболее распространенных заболеваниях, относящихся к этой группе, повреждаются нейроны, макрофаги, фибро-бласты и остеобласты, что клинически проявляется разнообразными по тяжести нарушениями строения и функции скелета, нервной системы, печени, селезенки.
В почке в результате гетерофагии клетки захватывают белки из просвета канальцев и расщепляют их до аминокислот, которые далее возвращаются в кровь. Гетерофагия в клетках щитовидной железы (ти-роцитах) обеспечивает отщепление йодсодержащих гормонов от белковой матрицы и последующее всасывание их в кровь. Нарушение процесса гетерофагии в указанных клетках вызывает тяжелые расстройства функции этих органов.
Особое значение Гетерофагия имеет для клеток , осуществляющих защитную функцию, в основе деятельности которых лежит поглощение извне и переваривание частиц или веществ. Так, фагоциты (макрофаги и нейтрофильные лейкоциты) захватывают и переваривают микроорганизмы, попадающие в ткани макроорганизма или на их поверхность (например, эпителия слизистых оболочек). При отсутствии или недостаточной активности лизосомальных ферментов, разрушающих микробы (например, при ряде генетически обусловленных нарушений), эти клетки неспособны эффективно осуществлять защитные функции, что приводит к развитию тяжелых хронических воспалительных заболеваний.
Наиболее патогенные микроорганизмы ускользают от повреждающего действия фагоцитов, осуществляя это различным образом. Так, одни (например, возбудитель проказы) обладают устойчивостью к действию лизосомальных ферментов; другие микробы (например, возбудитель туберкулеза) способны подавлять процесс слияния фагосом с ли-зосомами, некоторые могут ускользать от разрушения, разрывая мембраны фагосом или лизосом.
Роль аутофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Аутофагия обеспечивает постоянное обновление ("омоложение") клеточных структур благодаря перевариванию участков цитоплазмы, митохондрий, скоплений рибосом, фрагментов мембраны (убыль которых компенсируется их новообразованием). Этот процесс обновления в клетке тонко отрегулирован, причем каждый ее компо-
нент имеет определенную продолжительность жизни. Так, в нейронах пожилого человека, которые функционировали на протяжении многих десятилетий, большинство органелл не старше 1 мес. В клетках печени (гепатоцитах) большая часть цитоплазмы разрушается менее, чем за 1 нед. В некоторых случаях аутофагия может служить реакцией клетки на недостаточное питание. Частным случаем аутофагии является крино-фагия (от греч. krinein - отделяю, секретирую) - лизосомальное разрушение избытка невыведенного секрета в железистых клетках.ВЗАИМООТНОШЕНИЯ КЛЕТКИ С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ. ЭКЗОЦИТОЗ И ЭНДОЦИТОЗ: ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ.
Гликокаликс (поверхностный слой животных клеток) выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами.
Плазматическая мембрана образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды.
На поверхности микроворсинок происходит интенсивное переваривание и всасывание переваренной пищи.
1)Эндоцитоз - транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую за счет впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль, соединяя с лизосомой , ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.
Эндоцитоз разделяют на фагоцитоз (захват и поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Путем эндоцитоза осуществляется питание гетеротрофных протистов, защитные реакции организмов (лейкоциты поглощают чужеродные частицы) и др.
2)Экзоцитоз (экзо - наружу), благодаря нему, клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли, или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.
- 1. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить строение интерфазного ядра в фиксированных препаратах. Рассмотреть особенности строения ядер клеток с различной функ- циональной активностью. Основными компонентами ядра являются: ядерная оболочка (кариолемма),хроматин, ядрышко, ядерный сок. При световой микроскопии ядерная оболочка представляет четкую, очер- ченную со стороны ядра и цитоплазмы линию. При рассмотрении схемы ультрамикроскопического строения ядра следует обратить внимание на особенности строения кариолеммы, на связь ее мембран с эндоплазма- тической сетью цитоплазмы. Разобраться в морфологической харак- теристике хроматина и его химическом составе. Хроматин в ядре может находиться в виде глыбок –конденсированный хроматин или быть рас- пыленным – дисперсный хроматин. Разное состояние хроматина явля- ется показателем биосинтетической активности клетки. Клетки, активно синтезирующие белок имеют ядро с дисперсным хроматином и хорошо развитым ядрышком. В ядрах клеток, не синтезирующих белок, хроматин конденсированный, ядрышки плохо заметны.
- 2. Контрольные вопросы: 1. Ядро. Понятие об интерфазном ядре. Структурные компоненты ядра по данным световой и электронной микроскопии: ядерная оболочка, хроматин, ядрышко, ядерный сок. Значение и функции ядра в жизнедеятельности клетки. 2. Ядерно-цитоплазматические соотношения в клетках с различным уровнем метаболизма. 3. Структура ядерной оболочки при СМ и ЭМ. Молекулярная организация и функциональное значение ядерной ламины. 4. Ядерная пора и ядерный поровый комплекс. Участие в ядерном импорте и экспорте веществ. 5. Хроматин интерфазного ядра. Эухроматин и гетерохроматин. Хроматин, как показатель биосинтетической активности клетки. 6. Молекулярная организация ДНК в хромосомах. Уровни укладки хроматина. Роль гистоновых белков в обеспечении структуры хроматина и реализации генетической информации. 7. Ядрышко. Структура ядрышка при СМ и ЭМ. Основные компоненты ядрышка. Роль ядрышка в синтезе рРНК и образовании рибосом. 8. Синтез и транспорт биополимеров в клетке. Клеточный конвейер при синтезе белка. Морфологическая характеристика клетки, синтезирующей белки. 9. Клеточный конвейер при синтезе углеводов и липидов. Морфологическая характеристика клетки, синтезирующей углеводы и липиды.
- 3. Препарат 1 . Структуры ядра. Яичник. Окраска гематоксилин- эозином. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата,найти рас- тущий фолликул с яйцеклеткой. Под большим увеличением найти крупную округлую клетку – яйцеклетку и рассмотреть структуру ядра. Обратить вни- мание на ядерную оболочку, ядрышко, состояние хроматина. Нарисовать яйцеклетку и обозначить структуры интерфазного ядра. Изучить электрон- нограмму ядра. Зарисовать строение кариолеммы и ядерного порового комплекса.
- 4. Препарат 1 . Структуры ядра. Яичник. Яйцеклетка. Окраска гематоксилин-эозином
- 5. Препарат 2. Поджелудочная железа. Окраска гематоксилин- эозином. Клетка, синтезирующая белок. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата и найти экзокринную часть поджелудочной железы. Под большим увеличением рассмотреть одну клетку, обратив внимание на наличие в ядре ядрышка и эухроматина, отметить базофилию цитоплазмы в базальной части клетки и оксифилию в апикальной.
- 6. Препарат 2. Поджелудочная железа. Окраска гематоксилин-эозином. Клетки, синтезирующие белки
- 7. Препарат 3. Печень. Гликоген в клетках печени. ШИК-реакция. Клетка, синтезирующая углеводы. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата и найти группу гепатоцитов. Под большим увеличением рассмотреть в цитоплазме гепатоцита глыбки гликогена красно-фиолетового цвета.
- 8. Препарат 3. Печень. Гликоген в клетках печени. ШИК-реакция. Клетка, синтезирующая углеводы.
- 9. Препарат 4. Липидные включения в клетках печени. Окраска осмиевой кислотой. Клетка, синтезирующая липиды. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата и найти группу гепатоцитов. Под большим увеличением рассмотреть цитоплазму гепатоцита, обратив внимание на капли липидов,окрашенные в черный цвет.
- 10. Препарат 4. Липидные включения в клетках печени. Окраска осмиевой кислотой. Клетки, синтезирующие липиды.
C возникновением компартментов эукариотическая клетка получает не только очевидные преимущества, но и ряд проблем. Одной из них является сортировка и доставка нужных соединений в нужные органеллы. Прежде всего, это касается белков. Судьба синтезированных белков различна и зависит от мест их последующего функционирования. Существуют два магистральных пути транспорта белков, которые начинаются в разных местах цитоплазмы. Рис. 1.2.
Первая транспортная ветвь работает с белками, которые предназначены для пластид, митохондрий, ядра и пероксисом – то есть для всех компартментов клетки, кроме органелл эндомембранной системы. Синтез этих белков происходит на свободных рибосомах цитозоля. Белки, предназначенные для транспорта, содержат сигналы сортировки, направляющие их в соответствующие органеллы. Подобными сигналами обычно служат один или несколько участков белка, которые называют сигнальными, или лидерными пептидами. В мембране органеллы находится специальный белкок-транслокатор, который «узнает» сигнальный пептид. Молекула транспортируемого белка должна развернуться, чтобы подобно нитке развернувшегося клубка «продеться» через «игольное ушко» белка-транслокатора. В таблице 1.1. представлены некоторые характеристики различных сигналов сортироваки. Этот путь транспорта белков иогда называют цитозольным . Следует отметить, что большинство белков, ситезируемых на свободных рибосомах цитозоля не имеют сигналов сортировки и остаются в цитозоле в качестве постоянных компонентов.
Другая транспортная ветвь используется для секретируемых белков, а также для белков, предназначенных для органелл эндомембранной системы и плазматической мембраны. Синтез этих белков также начинается на рибосомах цитозоля, но после инициации трансляции рибосомы прикрепляются к мембране ЭР, при этом формируется шероховатый ЭР. Образующиеся белки переносятся в ЭР котрансляционно. Это означает, что сразу после синтеза очередного участка полипептидной цепи он пересекает мембрану ЭР. После синтеза некоторые из белков попадают в просвет ЭР, другие остаются закрепленными в мембране и становятся трансмембранными белками ЭР. Эту транспортную ветвь часто называют секреторным путем клетки.
Таблица 1.1. Сигнальные последовательности для транспорта белков в растительной клетке.
| Целевая органелла | Сигнальная последовательность | Характеристика |
| Хлоропласты: строма | N-концевой лидерный пептид («стромальный») | Последовательность из 40-50 аминокислот |
| Хлоропласты: люмен и мембраны тилакоидов | Два последовательных N-концевых лидерных пептида | Первый пептид -«стромальный», второй – «люменальный» |
| Митохондрии: матрикс | N-концевой пресиквенс | Формирует положительно заряженную амфипатическую α-петлю. |
| Митохондрии: внутренняя мембрана, межмембранное пространство | Два последовательных N-концевых пресиквенса | Первый пресиквенс - как для белков матрикса, второй состоит из остатков гидрофобных аминокислот |
| Пероксисомы | Сигналы пероксисомальной локализации PTS1 и PTS2 | PTS1 – С-концевой трипептид – Ser-Lys-Leu PTS2 локализован на N-конце. |
| Ядро | Сигналы ядерной локализации NLS. Не отщепляются после переноса белка в ядро | NLS типа 1: Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys. NLS типа 2: две последовательности, разделенные спейсером NLS типа 3: Lys-Ile-Pro-Ile-Lys |
| Сигнальный пептид секреторного пути | N-концевой лидерный пептид | 10-15 остатков гидрофобных аминокислот, формирующих α-спираль. |
| Эндоплазматический ретикулум | Сигнал локализации в ЭР | С-концевой тетрапептид KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) |
| Вакуоль. | Сигналы локализации в вакуолях NTPP, CTPP, внутрибелковый сигнал. | NTPP - N-концевой сигнал: Asn-Pro-lle-Arg CTPP – С-концевой сигнал. |
Две ветви транспорта различаются по схеме транспортировки. Пути цитозольного транспорта белков параллельны, то есть белки из цитозоля сразу направляется в нужную органеллу. Обычно проходит не больше одной - двух минут с момента высвобождения белка в цитозоль до поступления его в органеллу.
Транспорт белков по секреторному пути происходит последовательно – от органеллы к органелле. До достижения конечного пункта белок может побывать в нескольких органеллах (ЭР, разные отделы АГ). Путь от мембраны ЭР до места назначения может занять десятки, если не сотни минут. В процессе переноса белки могут претерпевать значительные модификации (прежде всего в АГ). На заключительных этапах транспорт может происходить параллельно - в вакуоль, периплазмитическое пространство или в плазмалемму.
И, наконец, два пути транспорта белков различаются по механизму переноса молекул. Для цитозольного пути возможен только мономолекулярный механизм транспорта белков, при котором каждая молекула белка индивидуально пересекает мембрану через соответствующий транслокатор. Для секреторного пути характерен везикулярный механизм транспорта белковых молекул, который опосредован транспортными пузырьками (везикулами). Везикулы отшнуровываются от одного компартмента, при этом происходит захват определенных молекул из его полости. Затем везикулы сливаются с другим компартментом, доставляя в него свое содержимое. При везикулярном транспорте белки не пересекают никаких мембран, транспорт может происходить только между топологически эквивалентными компартментами. Везикулярный механизм транспорта избирательно контролируется с помощью специальных белков, выполняющих функции сигналов сортировки. В транспортный пузырек белок попадает, если его сигнал сортировки связывается с рецептором на мембране везикулы. В настоящее время некоторые сигналы сортировки в составе белков известны, тогда как большинство комплементарных им мембранных рецепторов - нет.
1.2. Растительная клетка – результат двойного симбиоза.
Стратегия существования высших растений обусловлена прежде всего двумя их главными свойствами – фототрофным типом питания и отсутствием активной подвижности. Эти два свойства наложили отпечаток на все уровни организации растительного организма, вплоть до клеточного.
Помимо общих для всех эукариотических клеток признаков, клетки растений обладают рядом особенностей. Главные из них:
наличие пластид; наличие вакуолей; наличие жесткой клеточной стенки.
Схема строения типичной растительной клетки представлена на рис. 1.3.
Присутствие пластид связано, прежде всего, с фототрофным типом питания растений. Пластиды, как и митохондрии, имеют собственный геном. Таким образом, еще одной особенностью растительной клетки является то, что она совмещает в себе три относительно автономные генетические системы: ядерную (хромосомную), митохондриальную и пластидную. Наличие трех геномов является следствием симбиотического происхождения растительных клеток. При этом растительная клетка, в отличие от других эукариотических клеток, образовалась как минимум из трех исходно самостоятельных форм:
1) «хозяйского» организма, генетический аппарат которого переместился в ядро;
2) гетеротрофной бактерии (похожей на родоспириллу), послужившей предшественницей митохондрии;
3) древней бактерии с оксигенным фотосинтезом (похожей на цианобактерию синехоцистис), ставшей родоначальницей пластид.
Длительная коэволюция симбионтов привела к перераспределению функций между ними и их генетическими системами, при этом многие гены митохондриальной и пластидной ДНК были перемещены в ядро.
В обмене веществ организма ведущая роль принадлежит белкам и нуклеиновым кислотам. Белковые вещества составляют основу всех жизненно важных структур клетки, они входят в состав цитоплазмы. Белки обладают необычайно высокой реакционной способностью. Они наделены каталитическими функциями, т. е. являются ферментами, поэтому белки определяют направление, скорость и теснейшую согласованность, сопряженность всех реакций обмена веществ.
Рис. 13 А. Схема синтеза белка в эукариотной клетке.
Рис. 13 Б. Схема синтеза белка в прокариотной клетке.
Ведущая роль белков в явлениях жизни связана с богатством и разнообразием их химических функций, с исключительной способностью к различным превращениям и взаимодействиям с другими простыми и сложными веществами, входящими в состав цитоплазмы.
Нуклеиновые кислоты входят в состав важнейшего органа клетки - ядра, а также цитоплазмы, рибосом, митохондрий и т. д. Нуклеиновые кислоты играют важную, первостепенную роль в наследственности, изменчивости организма, в синтезе белка.
Процесс синтеза белка является очень сложным многоступенчатым процессом. Совершаем ся он в специальных органеллах - рибосомах. В клетке содержится большое количество рибосом. Например, у кишечной палочки их около 20000.
Каким образом происходит синтез белка в рибосомах?
Молекулы белков по существу представляют собой полипептидные цепочки, составленные из отдельных аминокислот. Но аминокислоты недостаточно активны, чтобы соединиться между собой самостоятельно. Поэтому, прежде чем соединиться друг с другом и образовать молекулу белка, аминокислоты должны активироваться. Эта активация происходит под действием особых ферментов. Причем каждая аминокислота имеет свой, специфически настроенный на нее фермент.
Источником энергии для этого (как и для многих процессов в клетке) служит аденозинтрифосфат (АТФ).
В результате активирования аминокислота становится более лабильной и под действием того же фермента связывается с т-РНК.
Важным является то, что каждой аминокислоте соответствует строго специфическая т-РНК. Она находит «свою» аминокислоту и переносит ее в рибосому. Поэтому такая РНК и получила название транспортной.
Следовательно, в рибосому поступают различные активированные аминокислоты, соединенные со своими т-РНК. Рибосома представляет собой как бы конвейер для сборки цепочки белка из поступающих в него различных аминокислот (рис. 13 Аи Б).
Возникает вопрос: от чего зависит порядок связывания между собой отдельных аминокислот? Ведь именно этот порядок и определяет, какой белок будет синтезирован в рибосоме, так как от порядка расположения аминокислот в белке зависит его специфика. В клетке содержится более 2000 различных по строению и свойствам специфических белков.
Оказывается, что одновременно с т-РНК, на которой «сидит» своя аминокислота, в рибосому поступает «сигнал» от ДНК, которая содержится в ядре. В соответствии с этим сигналом в рибосоме синтезируется тот или иной белок, тот или иной фермент (так как ферменты являются белками).
Направляющее влияние ДНК на синтез белка осуществляется не непосредственно, а с помощью особого посредника, той формы РНК, которая получила название матричной или информационной РНК (м-РНК или и-РНК).
Информационная РНК синтезируется в ядре под влиянием ДНК, поэтому ее состав отражает состав ДНК. Молекула РНК представляет собой как бы слепок с формы ДНК.
Синтезированная и-РНК поступает в рибосому и как бы передает этой структуре план - в каком порядке должны соединяться друг с другом поступившие в рибосому активированные аминокислоты, чтобы синтезировался определенный белок. Иначе, генетическая информация, закодированная в ДНК, передается на и-РНК и далее на белок.
Молекула информационной РНК поступает в рибосому и как бы прошивает ее. Тот ее отрезок, который находится в данный момент в рибосоме, определенный ко доном (триплет), взаимодействует совершенно специфично с подходящим к нему по строению триплетом (антикодоном) в транспортной РНК, которая принесла в рибосому аминокислоту. Транспортная РНК со своей аминокислотой подходит к определенному кодону и-РНК и соединяется с ним; к следующему, соседнему участку и-РНК присоединяется другая т-РНК с другой аминокислотой и так далее, до тех пор пока не будет считана вся цепочка и-РНК и пока не нанижутся все аминокислоты в соответствующем порядке, образуя молекулу белка. А т-РНК, которая доставила аминокислоту к определенному участку полипептидной цепи, освобождается от своей аминокислоты и выходит из рибосомы. Затем снова в цитоплазме к ней может присоединиться нужная аминокислота, и она снова перенесет ее в рибосому. В процессе синтеза белка участвует одновременно не одна, а несколько рибосом - полирибосомы.
Основные этапы передачи генетической информации: синтез на ДНК как на матрице и-РНК (транскрипция) и синтез в рибосомах полипептидной цепи по программе, содержащейся в и-РНК (трансляция), универсальны для всех живых существ. Однако временные и пространственные взаимоотношения этих процессов различаются у прои эукариотов.
У организмов, обладающих настоящим ядром (животные, растения), транскрипция и трансляция строго разделены в пространстве и времени: синтез различных РНК происходит в ядре, после чего молекулы РНК должны покинуть пределы ядра, пройдя через ядерную мембрану (рис. 13 А). Затем в цитоплазме РНК транспортируются к месту синтеза белка - рибосомам. Лишь после этого наступает следующий этап - трансляция.
У бактерий, ядерное вещество которых не отделено от цитоплазмы мембраной, транскрипция и трансляция идут одновременно (рис. 13 Б).
Современные схемы, иллюстрирующие работу генов, построены на основании логического анализа экспериментальных данных, полученных с помощью биохимических и генетических методов. Применение тонких электронно-микроскопических методов позволяет в буквальном смысле слова увидеть работу наследственного аппарата клетки. В последнее время получены электронно-микроскопические снимки, на которых видно, как на матрице бактериальной ДНК, в тех участках, где к ДНК прикреплены молекулы РНК-полимеразы (фермента, катализирующего транскрипцию ДНК в РНК), происходит синтез молекул и-РНК. Нити и-РНК, расположенные перпендикулярно к линейной молекуле ДНК, продвигаются вдоль матрицы и увеличиваются в длине. По мере удлинения нитей РНК к ним присоединяются рибосомы, которые, продвигаясь, в свою очередь, вдоль нити РНК по направлению к ДНК, ведут синтез белка.
Из всего сказанного следует, что местом синтеза белков и всех ферментов в клетке являются рибосомы. Образно выражаясь, это как бы «фабрики» белка, как бы сборочный цех, куда поступают все материалы, необходимые для сборки полипептидной цепочки белка из аминокислот. Природа же синтезируемого белка зависит от строения и-РНК, от порядка расположения в ней нуклеоидов, а строение и-РНК отражает строение ДНК, так что в конечном итоге специфическое строение белка, т. е. порядок расположения в нем различных аминокислот, зависит от порядка расположения нуклеоидов в ДНК, от строения ДНК.
Изложенная теория биосинтеза белка получила название матричной теории. Матричной эта теория называется потому, что нуклеиновые кислоты играют как бы роль матриц, в которых записана вся информация относительно последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка.
Создание матричной теории биосинтеза белка и расшифровка аминокислотного кода является крупнейшим научным достижением XX века, важнейшим шагом на пути к выяснению молекулярного механизма наследственности.
